О синтезе динамической модели процесса производства ферросилиция для задач автоматизированного управления

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Розглянуто методику й результати синтезу динамічної моделі процесу виробництва феросплаву (ФС 45), придатної для використання у складі системи управління, шляхом реалізації планованого експерименту на раніше розробленій технологічній моделі печі
Ключові слова: Електродугова піч, феросплав, автоматизація
Рассмотрена методика и результаты синтеза динамической модели процесса производства ферросплава (ФС 45), пригодной для использования в составе системы управления, путем реализации планированного эксперимента на ранее разработанной технологической модели печи
Ключевые слова: Электродуговая печь, ферросплав, автоматизация
Considered a method and results of synthesis of dynamic model of process of production of ferro-alloy (FS 45), suitable for the use in composition with control system, by realization of the planned experiment on the before developed technological model of stove
Keywords: Elektric stove, ferro-alloy, automation
УДК 669. 168
О СИНТЕЗЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ФЕРРОСИЛИЦИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
А. С. Мных
Кандидат технических наук, доцент* Кафедра электротехники и энергетического
менеджмента* Контактный тел.: 066−184−64−98 E-mail: mnikh@mail. ru
Е.Н. Барышенко
Кандидат технических наук, доцент Кафедра автоматизированного управления технологическими процессами* Контактный тел.: (0612) 223−84−08 E-mail: barishenko_e@ukr. net
Н.А. Баташова
Кандидат технических наук, доцент Кафедра электротехники и энергетического
менеджмента* Контактный тел.: 068−446−27−57 E-mail: nab_zp@mail. ru
В.Д Золотарёв*
Контактный тел.: 095−133−06−30 *Запорожская государственная инженерная академия пр. Ленина, 226, г. Запорожье, Украина, 69 006
1. Введение
К ферросилицию относится большая группа сплавов системы Fe-Si, в котором может содержаться 19−92% Si. Одиннадцать марок электропечного ферросилиция по ГОСТ 1415–78 можно разделить на три группы: низкокремнистый (ФС 20, ФС 20л, ФС 25), со средним содержанием кремния (ФС 45, ФС 65, ФС 69) и высококремнистые сплавы (ФС 75л, ФС 75э, ФС 90, ФС 92).
В работе рассматривается процесс производства ферросилиция ФС 45, который выплавляется в закрытых рудовосстановительных печах типа РКЗ-33. Основные характеристики печи следующие:
— Мощность печного трансформатора Ртр 40 МВА-
— Активная мощность печи Ра 36 МВт-
— Напряжение на низкой стороне №.с. 142−282 В-
— Ток максимальный Imax 93 кА-
— Размеры ванны Двнешн/Двнутр 10,8/8,8 м-
F
— Высота ванны Нв 3,5 м-
— Диаметр электрода Дэ 1,5 м-
— Диаметр распада электрода Драсп 3,9 м.
Процесс производства ферросилиция непрерывный, готовый расплав выпускают в ковш, футерованный шамотом, и разливают на разливной машине конвейерного типа в загрузочные мульды. При получении ферросилиция ФС 45 готовый расплав выпускают из печи 4−5 раз в смену.
Исходя из того, что объект является динамическим, изменяющим свое состояние по ходу плавки, то вопросы его управления должны решаться методом динамической оптимизации. Учитывая, что, как было сказано выше, процесс является непрерывным, то за конечное состояние, момент окончания процесса управления, можно принять участок в системе координат (W_Q•, Si) со значениями: 4680 кВт ч/т — требуемый удельный расход электроэнергии на тонну загруженного кварцита КФ, и требованием по содержанию кремния в расплаве, согласно ГОСТ 1415–78, составляющим 41−47%.
Для перевода печи из состояния начала плавки в ее конец можно использовать метод динамического программирования. Однако для этого необходимо получить динамическую модель печи, представленную в виде полинома и содержащую всю последовательность управляющих воздействий на объект с начала до конца плавки.
На основании того, что наиболее критичными показателями качества получаемого ферросплава ФС 45 является удельный расход электроэнергии на тонну продукции и содержание в ней Si, то модель необходимо представить в виде двух полиномов: первого Wakt
— рассчитывающего энергозатраты на каждом шаге управления, и второго Si — позволяющего прогнозировать в динамике содержание кремния в расплаве.
2. Анализ достижений в данной отрасли
Для управления технологическим процессом производства ферросилиция в литературных источниках [1] предлагается выражение:
с-* (.)
Р =-
365 24 К К
пригодную для использования в составе системы управления печью, представленную в виде двух вышеуказанных полиномов.
4. Решение поставленной задачи
Ранее, подобная задача решалась в [2] для процесса производства нормального электрокорунда. Для получения динамической модели процесса производства ферросилиция ФС 45 будет использован тот же подход.
Для проведения планированного эксперимента воспользуемся разработанной в [3] трехмерной математической моделью, предназначенной для расчета распределения активной мощности в ванне круглой электропечи с тремя электродами того же сечения, расчетная схема которой представлена на рис. 1.
где Рпп — полезная мощность, кВт- О — заданная производительность печи, т/год- W — удельный расход электроэнергии для выплавки ферросплава, кВт ч/т- 365 24 — число часов в году, ч- Кв — коэффициент использования календарного времени (Кв =0,8−0,95) — Ктах- коэффициент использования максимальной мощности печи.
Однако предложенное выражение не учитывает динамику объекта, необходимое изменение режима работы печи в различные моменты плавки, что не позволяет оптимизировать процесс управления с учетом снижения энергозатрат.
3. Постановка задачи
В работе необходимо получить динамическую модель процесса производства ферросилиция ФС 45
Рис. 1. Расчетная схема математической модели печи
Учитывая применение при моделировании метода вторичных источников, ванна и электроды печи разбиты на ряд единичных объемов. Исходя из рис.
1, имеем ванну печи высотой Нв и радиусом Яв. В качестве элементарного единичного объема будем считать сектор со сторонами ДЯ, ДZ и углом Дф. Следовательно, можно ввести следующие обозначения: N ф, N5 2, КВ Я — число разбиений ванны по углу, высоте и радиусу соответственно, а так же для электродов ф^Э_г^Э_я. Расчетные точки расположим в
геометрическом центре каждого элементарного объема. Всего для расчета их было использовано 192. Электроды в математической модели принимались сверхпроводящими. Шихта и шлак ванны печи имеют удельную проводимость в миллионы раз меньшую удельной проводимости электродов.
На основании изложенной в [3] методики расчета поверхностной плотности заряда, напряженности и активной мощности в jи ячейке, авторами статьи разработано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать значения перечисленных параметров в каждом единичном объеме.
Учитывая, что погрешность исходной модели такого эксперимента составила порядка 4,7% [3], то по результатам проверки полученной в результате полиномиальной модели на том же массиве экспе-
риментальных данных можно судить о погрешности преобразования технологической модели в динамическую модель, пригодную для использования в задачах управления.
Планирование эксперимента проводилось по методу Бокса-Уилсона [4]. Наиболее ответственным этапом такого планирования является выбор факторов, существенно влияющих на технологический процесс. В качестве указанных варьируемых факторов использованы следующие: Драсп — диаметр распада электродов (оптимальный диаметр распада электродов был определен по методике, изложенной в [5] только для условий рудовосстановительной печи РКЗ-ЗЗ) — ин.с. — напряжение на низкой стороне трансформатора- Нп — глубина погружения электродов- Яв — изменение сопротивления ванны печи- Яш
— изменение шихтовки в результате смены источника сырья- W — суммарное значение использованной энергии на всех предыдущих шагах процесса плавки- Si — значение концентрации кремния в расплаве на предыдущем шаге.
Интервалы нижнего и верхнего уровней варьирования для вышеуказанных факторов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Интервалы возможного варьирования факторов
-1 0 1
x1 Драсп, м 2,8 4,4 6
x2 ин.с., В 142 212 282
x3 Нп, м 0,2 1,1 2
x4 Rв, отн. ед. 1,8 3,5 5,2
x5 Rш, (SiO2)% 96 97,2 98,4
x6.1 Wсум, кВтч 50 22 425 44 800
x6.2 Si, % 0,5 23,75 47
Учитывая, что для проведения экспериментов с целью определения полиномов Wakt и Si, представляющих собой линейную алгебраическую модель вида у = Ь0 + Ь1×1 + Ь2×2 + Ь3×3 + Ь4×4 + Ь5×5 + Ь6×6, используется по шесть факторов, варьировать которые достаточно на двух уровнях то в соответствии с зависимостью N = пк, где N — число опытов, к — число факторов, п
— число уровней варьирования, можно сделать вывод, что обе матрицы планирования должны содержать по 64 опыта.
По результатам экспериментов установлены неизвестные коэффициенты искомых моделей, которые приняли вид:
^ = 0,49Х1 +0,187×2 + 1,9хз — (2)
-4, 96×4 -1, 95×5 + 0,98×6 + 247-
Si = 0,01×1 + 0,013×3 + 0,29×4 — 0,012×5 + 0,99×6- (3)
Полученная динамическая модель была проверена на адекватность по методике и массиву экспериментальных данных, использованных в [3] погрешность составила 6,02%, что позволяет использовать полученную линейную динамическую модель для задач управления.
5. Выводы
Ввиду значительных технических и экономических трудностей, возникающих при реализации планированного эксперимента на действующей печи по производству ферросилиция ФС 45, получена динамическая модель указанного процесса, пригодная для использования в системах управления АСУТП, путем вычислительных экспериментов на его известной и адекватной технологической модели.
Литература
1. Гасик М. И., Лякишев Н. П., Емлин Б. И. Теория и техно-
логия производства ферросплавов. М.: — Металлургия, 1988.- 786с.
2. Качан Ю. Г, Мных А. С., Синтез динамической модели про-
цесса производства электрокорунда нормального для задач автоматизированного управления //Восточно-европейский журнал передовых технологий. — Харьков, 2008.- № 2.- С. 47−49.
3. Качан Ю. Г., Попов В. В., Мних А. С. Анализ адекватности
математической модели трехфазной рудовосстановительной печи // Металлургия (Труды ЗГИА). — Запорожье, 2008.- № 17. С. 56−60.
4. Адлер Ю. П. и др. Планирование эксперимента при поиске
оптимальных условий. Изд-во «Наука», 1971. — 245с.
5. Качан Ю. Г., Попов В. В., Мних А. С. О підвищенні керова-
ності рудовостановлювальної печі шляхом зміни діаметру розпаду електродів// Науковий вісник НГУ. — 2008.
— № 3. С. 73−76.
Ж,

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой